Nuevas estrategias de diseño para mejorar la estabilidad y eficiencia de las células solares bifaciales de perovskita.

15 de mayo de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Las células solares basadas en perovskitas, minerales de óxido de titanio de calcio o compuestos con estructuras similares, se encuentran entre las soluciones energéticas emergentes más prometedoras. En los últimos años, ingenieros y científicos de materiales han estado explorando el potencial de los mini módulos solares (pequeñas celdas que se pueden utilizar para crear paneles solares a gran escala) hechos de estructuras bifaciales de perovskita.

Como sugiere su nombre, estas estructuras planas tienen materiales de perovskita en ambos lados, con el primero recolectando la luz solar directa y la última la luz que se refleja en las superficies (es decir, luz de albedo). Aunque los mini módulos solares basados en estructuras bifaciales de perovskita podrían lograr eficiencias de conversión de potencia (PCE) mayores que las células solares convencionales de perovskita, diseñarlos de manera efectiva ha resultado ser un desafío.

Investigadores de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill recientemente introdujeron nuevas estrategias de diseño que podrían ayudar a mejorar la eficiencia y estabilidad de las células solares bifaciales de perovskita. Utilizando estas técnicas, detalladas en Nature Energy, desarrollaron nuevos mini módulos solares que lograron un rendimiento notable.

'Las células solares de perovskita están en auge con eficiencias que aumentan rápidamente y su comercialización se está moviendo rápidamente a nivel global, pero siguen existiendo muchos desafíos pendientes por superar, incluidas la baja estabilidad y la reducción de la eficiencia al transferirse de pequeñas células de escala de laboratorio a módulos de gran área', explicó Jinsong Huang, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Tech Xplore. 'Una incertidumbre es si el ahorro de costos al utilizar perovskitas y procesos de deposición de bajo costo es suficiente para competir con la energía basada en combustibles fósiles'.

Al recolectar simultáneamente la luz solar directa y la luz de albedo, las células solares bifaciales podrían mejorar el rendimiento energético de las tecnologías solares. Hasta ahora, sin embargo, los investigadores solo han desarrollado algunas células y módulos bifaciales de perovskita, y los existentes exhiben eficiencias mucho más bajas que sus contrapartes mono-faciales.

'El objetivo de nuestro trabajo reciente fue demostrar un mini módulo bifacial de perovskita con alto rendimiento energético y larga vida útil operativa', dijo Huang. 'Las principales estrategias que proponemos para la optimización del diseño de módulos bifaciales de perovskita incluyen una estructura de módulo recién diseñada y un electrodo trasero, la adición de aditivos hidrófobos para una mejor estabilidad contra la humedad y la mejora en la absorción de luz de longitud de onda larga con nanopartículas dieléctricas incorporadas'.

Huang y sus colegas diseñaron primero una estructura bifacial en la que las subcélulas individuales están conectadas por óxido de estaño e indio (ITO), y con rejillas de plata que están separadas por un espacio óptimo en el electrodo trasero de ITO para reducir la pérdida de resistencia (es decir, la pérdida de energía eléctrica que puede ocurrir cuando fluye una corriente dentro de los cables). Este diseño es sencillo y escalable, lo que significa que podría permitir la fabricación y comercialización a gran escala de mini módulos solares bifaciales de perovskita.

'También descubrimos que agregar tris (pentafluorofenil) borano (TPFB) como aditivo en la capa de transporte de agujeros alivia claramente el daño de la humedad a la película de perovskita durante el proceso de deposición de SnO2', explicó Huang.

'Además, la adición de TPFB disminuyó la resistividad de la capa de transporte de agujeros y mejoró la alineación de energía. Por último, introdujimos nanopartículas (NP) en la perovskita para dispersar la luz incidente, aumentando así la trayectoria óptica para superar su pérdida de absorción, especialmente en el rango de longitud de onda larga en módulos bifaciales'.

Utilizando su diseño propuesto, los investigadores desarrollaron células solares bifaciales de perovskita de pequeñas áreas que lograron una densidad de generación de energía de 26,4 mW cm-2 y mini módulos bifaciales que lograron una densidad de generación de energía de 23 mW cm-2, cuando se expusieron a luz solar directa en un lado e iluminación de albedo de 0,2 en el otro. Estos resultados son significativamente mejores que las densidades de generación de energía exhibidas por las células solares de perovskita de una sola junta y los mini módulos desarrollados anteriormente.

Remarkably, the prototype minimodule developed by the team was also found to achieve a remarkably operational stability, only losing 3% of its initial efficiency after working for more than 6,000 hours. Combined, the design strategies introduced by this team of researchers could thus pave the way towards the large-scale fabrication of highly efficient and stable solar energy solutions based on bifacial perovskite structures.

'While some companies may already be working on commercializing perovskite bifacial solar cells, this work affirms the promising potential of these bifacial structures,' Huang added. 'We would now like to identify new strategies to continually improve the energy yield and stability of bifacial perovskite solar modules.'

More information: Hangyu Gu et al, Design optimization of bifacial perovskite minimodules for improved efficiency and stability, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01254-3

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